修豪宇,李迎軍,原開敏,汪 超,楊書含,呂麗華,王 棟*

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所,北京 100193;2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院,太谷 030801;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市敖漢旗四道灣子鎮(zhèn)黨群服務(wù)中心,赤峰 024328;4.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,長春 130118)

傳統(tǒng)養(yǎng)殖條件下進行母牛發(fā)情鑒定,飼養(yǎng)員每日需巡場3次以上,每次不低于30 min[1],養(yǎng)殖場需投入大量人力物力,不僅費時費力,并且奶牛發(fā)情類型[2]、發(fā)情強度[3-4]與持續(xù)時間[5-7]存在個體差異,受人力視聽及活動時空范圍等因素限制,通過人工觀察進行發(fā)情鑒定很容易漏檢。并且,發(fā)情鑒定工作量隨養(yǎng)殖規(guī)模的增加而增大,但鑒定效果卻因群體增大而降低。截至2020年底,全國百頭以上規(guī)模養(yǎng)殖場占比67.2%[8-10],使用傳統(tǒng)人工觀察進行發(fā)情鑒定已難以適應(yīng)當前的奶牛養(yǎng)殖形勢[11]。隨著生物傳感器技術(shù)的快速發(fā)展,母牛行為以及生理參數(shù)可進行自動化采集分析,為研究這些參數(shù)的變化規(guī)律提供了便利[12]?；趥鞲衅鹘⒌哪概０l(fā)情鑒定自動化技術(shù)更加準確便捷[13-14]。

采用計步器發(fā)情鑒定實現(xiàn)了發(fā)情鑒定自動化,但受活動空間大小[15]、蹄病[16]、安靜發(fā)情[17]等因素影響較大,發(fā)情檢出率較低,而溫度傳感器揭示的生理性變化受上述因素影響較小,自動化發(fā)情鑒定效果更好[18]?；跍囟葌鞲衅鞯淖詣踊l(fā)情鑒定技術(shù),可能會突破多年來一直困擾產(chǎn)業(yè)的安靜發(fā)情鑒定難這一世界難題,具有更大研發(fā)與應(yīng)用潛能。但母牛全身被毛,非接觸式測溫效果不理想,而接觸式測溫可采集的部位有限,穿戴設(shè)備研發(fā)難度較大,并且,采集部位不同,監(jiān)測到的牛只體溫數(shù)據(jù)也有所差別。為此,本文綜述了前人利用母牛軀體不同部位體溫數(shù)據(jù)進行的發(fā)情鑒定結(jié)果,比較分析了發(fā)情母牛各部位體溫變化及體溫變化規(guī)律與發(fā)情的關(guān)系,希望這些分析結(jié)果能夠促進后續(xù)母牛發(fā)情鑒定技術(shù)的研發(fā),提高監(jiān)測效果。

1 基于體溫的母牛發(fā)情自動化鑒定技術(shù)研發(fā)進展

人工發(fā)情檢測費時費力,對繁殖員發(fā)情鑒定技術(shù)要求較高,并且,因夜間發(fā)情無人值守還存在發(fā)情漏檢問題。面對越來越多、越來越大的技術(shù)與管理壓力,“用數(shù)據(jù)說話”實行科學(xué)管理已是產(chǎn)業(yè)發(fā)展必然趨勢。為此,很多基于活動量傳感器的發(fā)情監(jiān)測設(shè)備被研發(fā)和全世界推廣應(yīng)用,并催生了阿菲金、利拉伐等跨國公司,在發(fā)情鑒定方面取得了良好的效果。但是,活動量檢測卻無法突破安靜發(fā)情鑒定瓶頸,而體溫檢測卻展示了很好的安靜檢出效果[19]。利用溫度傳感器借助于互聯(lián)網(wǎng)的高效數(shù)據(jù)分析,基于母牛發(fā)情體溫變化規(guī)律[20-21],構(gòu)建自動化發(fā)情鑒定技術(shù)有望突破安靜發(fā)情檢出瓶頸。目前,基于體溫的母牛發(fā)情鑒定自動化技術(shù),根據(jù)設(shè)備與身體的接觸方式,可分為接觸式與非接觸式兩種[22]。

1.1 接觸式體溫監(jiān)測

傳統(tǒng)使用水銀體溫計或電子測溫計進行直腸測溫,無法實現(xiàn)連續(xù)、自動監(jiān)測,測溫時間長、費力,還易引起應(yīng)激反應(yīng)或造成損傷,更無法對牛群實行批量化體溫連續(xù)監(jiān)測,遠不能滿足規(guī)模不斷擴大的現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展需求。研發(fā)母牛體溫自動采集技術(shù),并比較母牛不同部位體溫發(fā)情周期變化規(guī)律,是發(fā)情鑒定自動化技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)。

隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,人們將溫度傳感器與牛只的身體部位相接觸,依靠傳感器技術(shù)來獲取牛只的體溫信息,即通過電子元件的參數(shù)變化檢測溫度,實現(xiàn)體溫信息的自動化監(jiān)測。田富洋等[23]將溫度監(jiān)測探頭緊貼母牛后腿跟內(nèi)側(cè)的皮膚上,連續(xù)采集5頭牛的體溫變化,其設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識算法檢測母牛發(fā)情的準確率可達100%,發(fā)情預(yù)測率達到70%以上。Wang等[19]將溫度傳感器安裝于陰道栓內(nèi),對42頭牛進行連續(xù)陰道溫度監(jiān)測,預(yù)測到39頭發(fā)情,其發(fā)情檢出率為92%。

接觸式設(shè)備的優(yōu)點在于設(shè)備的溫度采集端直接與需要采集溫度數(shù)據(jù)的牛只軀體直接接觸,準確性高,且結(jié)構(gòu)簡單,成本低,被各大養(yǎng)殖場廣泛使用。但是,接觸式設(shè)備與牛只的軀體直接接觸,佩戴設(shè)備會對母牛舒適度帶來影響。牛舍和運動場中污物相對較多,糞便和墊料的附著、堆積會對設(shè)備造成影響,由于設(shè)備長期暴露在較為惡劣的環(huán)境下,母牛日常活動對設(shè)備的碰撞、水分滲入、天氣變化等因素都會造成損壞,進而影響其使用壽命[10]。

1.2 非接觸式體溫監(jiān)測

隨著溫度監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展,非接觸式的體溫監(jiān)測方法也逐漸運用到牛只體溫監(jiān)測方面。非接觸式測溫主要以紅外熱成像技術(shù)(infrared thermography, IRT)為主。紅外熱成像技術(shù)的原理是基于物體發(fā)射紅外輻射的特性,根據(jù)物體的溫度差異來進行熱成像[24-26]。隨著熱成像技術(shù)的發(fā)展和熱紅外相機的廣泛應(yīng)用,這種對母牛無損、無接觸的測溫方式,為體溫檢測研究提供了新的方向[27]。Hellebrand等[28]通過IRT發(fā)現(xiàn),母牛排卵前24 h的體溫升高與發(fā)情的時間相吻合。Talukder 等[29]使用熱成像儀連續(xù)2個月對20頭健康母牛的陰道、鼻鏡溫度進行檢測,監(jiān)測發(fā)情檢出率為92%。

紅外熱成像技術(shù)的優(yōu)點在于設(shè)備安裝方便,僅需少量設(shè)備即可實現(xiàn)對牛群的體溫監(jiān)測,同時,監(jiān)測母牛體溫時不需接觸,可以避免動物受到驚嚇,也減少了傳染疾病的風(fēng)險。但是,動物身上沾染的墊料、泥污或糞便等污物可能會對需要監(jiān)測的部位進行遮擋,影響設(shè)備對該部位的熱輻射采集,降低數(shù)據(jù)監(jiān)測的準確性,同時,監(jiān)測設(shè)備與牛只之間角度和距離的變化也會對溫度判斷產(chǎn)生影響[30]。而且,相較于接觸式體溫監(jiān)測設(shè)備,外界環(huán)境的溫度以及濕度變化會對熱紅外相機的數(shù)據(jù)搜集準確性產(chǎn)生較大的影響[31]。

2 母牛發(fā)情時不同部位溫度變化

2.1 直腸溫度監(jiān)測與發(fā)情鑒定

因為直腸接近深部組織,溫度相對穩(wěn)定且容易測定,所以,直腸溫度成為最常用的家畜核心體溫(core body temperature,CBT)評價指標[32],廣泛用于大家畜體溫監(jiān)測。

葛利江等[33]使用溫度計對22頭發(fā)情母牛早中晚各一次測量直腸溫度發(fā)現(xiàn),母牛發(fā)情時直腸溫度升高到39.2 ℃,比發(fā)情前后直腸溫度平均高0.52 ℃(P<0.01),持續(xù)1 d后逐漸下降,接近排卵時達最低值(38.50 ℃),隨后逐漸上升到(38.70±0.20)℃,并持續(xù)到下個發(fā)情期前。Piccione等[34]使用水銀溫度計每日兩次(早晨8:00,傍晚17:00)監(jiān)測母牛發(fā)情期間直腸溫度,同時提出了一個進行發(fā)情預(yù)測的計算方法,將過去5 d母牛早晨平均體溫與當日早晨體溫進行對比,如果當日體溫超過前5 d平均值3個標準差,則第2天牛只發(fā)情,使用此方法,該團隊在41次發(fā)情中32次正確預(yù)測了母牛發(fā)情,檢出率為78%。Liles等[35]發(fā)現(xiàn),母牛定時輸精時,直腸溫度與妊娠結(jié)果呈正相關(guān)(P<0.000 1),直腸溫度每增加1 ℃,妊娠率增加1.9倍。Reuter等[36]設(shè)計了可佩戴在牛只尾根處的支架,搭載熱敏傳感器溫度監(jiān)測設(shè)備,可連續(xù)監(jiān)測牛只直腸溫度,但由于造價昂貴且會造成牛只不適,后續(xù)并未廣泛應(yīng)用。Suthar等[37]將溫度傳感器置于陰道栓內(nèi),將牛只麻醉后放入直腸中,實現(xiàn)了對直腸溫度的連續(xù)記錄。但是,該方法的操作要求較高,且無法長時間、大批量地進行牛群體溫監(jiān)測。李淦[38]對45頭高產(chǎn)荷斯坦奶牛呼吸頻率及直腸溫度進行測量分析發(fā)現(xiàn),平均呼吸速率(mean respiration rate,MRR)與平均直腸溫度(mean rectal temperature,MRT)高度相關(guān),且MRT=0.021×MRR+37.6(R2=0.925),這表明MRR每增加4.8 bpm,MRT就會增加0.1 ℃。相較于直腸溫度無法連續(xù)穩(wěn)定監(jiān)測,呼吸頻率則可長時間監(jiān)測且不影響牛只日?；顒?該設(shè)備已初見雛形,但并沒有對母牛發(fā)情期間呼吸頻率變化的研究,或許利用二者之間的相互聯(lián)系可以尋找出新的發(fā)情鑒定指標。

2.2 陰道溫度監(jiān)測與發(fā)情鑒定

監(jiān)測陰道溫度為母牛發(fā)情鑒定技術(shù)提供了重要技術(shù)支撐。Wang等[19]研究發(fā)現(xiàn),陰道溫度在發(fā)情前逐漸升高,發(fā)情結(jié)束前4 h達到峰值,而后逐漸恢復(fù)至正常水平。對不同季節(jié)母牛間情期體溫變化規(guī)律研究發(fā)現(xiàn),夏季陰道溫度((39.13±0.51)℃)顯著高于秋季((38.68±0.19)℃)以及冬季((38.71±0.25)℃)(P<0.05),同時,自然發(fā)情母牛陰道溫度顯著高于同期發(fā)情牛((38.92±0.44)℃vs.(38.63±0.19)℃,P<0.05)[21]。有研究發(fā)現(xiàn),當陰道溫度較前1 d同期升高0.30 ℃,且持續(xù)升高3 h以上時,可判定母牛發(fā)情,發(fā)情時體溫最早升高0.30 ℃前的溫度采集時間點記為發(fā)情開始,當兩個連續(xù)時間點溫度變化小于0.30 ℃時,應(yīng)記為發(fā)情結(jié)束[39-41]。Higaki 等[42]使用可穿戴式無線傳感器設(shè)備連續(xù)監(jiān)測17頭牛發(fā)情周期陰道溫度,并開發(fā)發(fā)情檢測模型,結(jié)果表明,使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network,ANN)具有最佳檢測性能,檢出率為94.1%,靈敏度、精確率為94%。Gavan和Riza[40]將溫度傳感器安裝到陰道栓(controlled internal drug release,CIDR)中進行陰道溫度連續(xù)監(jiān)測,并同時佩戴計步器記錄發(fā)情期間活動量數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)前列腺素(prostaglandin,PG)同期發(fā)情處理母牛,發(fā)情檢出率高于活動量數(shù)據(jù)檢出結(jié)果(96.9%vs.82.7%)。

相對于直腸溫度監(jiān)測,陰道溫度采集設(shè)備可長時間監(jiān)測母牛陰道溫度變化。但是,使用陰道溫度監(jiān)測設(shè)備會造成母牛不適感,并且設(shè)備容易排出,供電以及維修問題也難以解決。因此,設(shè)計與研發(fā)更符合母牛陰道生理結(jié)構(gòu)的設(shè)備外形,或采用其他檢測陰道溫度的方法,是未來亟待解決的問題。

2.3 瘤胃溫度監(jiān)測與發(fā)情鑒定

瘤胃溫度也被用于母牛發(fā)情時體溫監(jiān)測[32,43]。Andrade等[44]通過瘤胃丸連續(xù)監(jiān)測母牛發(fā)情期間瘤胃溫度變化,發(fā)現(xiàn)發(fā)情前1 d瘤胃溫度為(39.30±0.05)℃,發(fā)情當天為(39.37±0.04)℃,發(fā)情后1 d溫度為(39.17±0.05)℃,發(fā)情前1 d與后1 d的瘤胃平均溫度差為0.13 ℃,發(fā)情當天與發(fā)情后1 d的平均溫度差為0.20 ℃,檢測到的溫度變化比陰道溫度監(jiān)測結(jié)果小。Kim等[45]對比間情期與發(fā)情期間母牛瘤胃溫度發(fā)現(xiàn),發(fā)情期瘤胃平均溫度升高0.13 ℃;發(fā)情期與間情期瘤胃最低溫度無顯著差異(34.60 ℃ vs 34.70 ℃,P>0.05),但發(fā)情期最高瘤胃溫度(39.91 ℃)比休情期(39.67 ℃)高0.24 ℃(P=0.03)。Cooper-Prado等[46]發(fā)現(xiàn),在發(fā)情后的0～8 h內(nèi),瘤胃平均溫度((38.98±0.09)℃)高于發(fā)情前1 d((38.37±0.11)℃)和發(fā)情后1 d((38.30±0.09)℃)的相同時間段(P<0.001)。一般認為,由于微生物發(fā)酵產(chǎn)熱,瘤胃溫度通常比其他部位高約0.5 ℃[47],而飲水會導(dǎo)致瘤胃溫度較大波動[48-50]?；蛟S,利用這種瞬時數(shù)據(jù)波動統(tǒng)計母牛發(fā)情期間的飲水次數(shù)變化,可能會提高牛只發(fā)情鑒定率。對瘤胃溫度的深入研究或許能促進發(fā)情檢出效率進一步提升。

2.4 眼部溫度監(jiān)測與發(fā)情鑒定

母牛發(fā)情時,可觀察到興奮不安,兩眼充血現(xiàn)象[51],而充血則代表血流量增加,溫度升高。研究發(fā)現(xiàn),牛眼部與直腸及陰道溫度呈中度相關(guān)(r=0.52,r=0.58)[52],意味著眼部溫度或許可用以指示母牛CBT。眼睛不適合接觸式體溫測量,但可通過IRT進行監(jiān)測[53-55]。Vicentini等[56]對57頭同期發(fā)情母牛眼部(眼球區(qū),淚小管區(qū))進行IRT監(jiān)測發(fā)現(xiàn),發(fā)情前36～24 h,眼球區(qū)溫度由38.10 ℃下降到37.40 ℃,淚小管區(qū)由39.10 ℃下降到37.60 ℃,溫度明顯下降(P<0.05);在發(fā)情前24～12 h,眼球區(qū)由37.40 ℃上升到38.20 ℃,淚小管區(qū)由37.60 ℃上升到38.70 ℃,溫度明顯上升(P<0.05);在發(fā)情前12 h到發(fā)情后12 h,中眼球區(qū)(38.20 ℃)和淚小管區(qū)(38.70 ℃)溫度相對穩(wěn)定,總體溫度變化呈現(xiàn)出先下降后上升,隨后保持平穩(wěn)的趨勢。王禎[57]通過紅外熱像儀采集10頭自然發(fā)情泌乳牛眼部與外陰溫度,分別利用 Logistic 模型與SVM模型建立母牛發(fā)情識別模型,結(jié)果表明:以眼部和外陰處最高溫度為輸入量,基于Logistic模型發(fā)情檢出率為82.37%,基于SVM模型發(fā)情檢出率為81.42%。雖然IRT對牛只無應(yīng)激,但受場內(nèi)環(huán)境、母牛體毛、設(shè)備所放位置等因素影響,且不能實現(xiàn)自動化和實時監(jiān)測[32],對該技術(shù)的研發(fā)還有待完善。

2.5 耳部溫度監(jiān)測與發(fā)情鑒定

溫度傳感器還被集成在母牛耳標中進行發(fā)情監(jiān)測。Stevenson[58]監(jiān)測母牛發(fā)情期間耳表溫度發(fā)現(xiàn),發(fā)情前2 d((25.58±0.30)℃)、1 d((25.69±0.30)℃)以及發(fā)情后1 d((25.43±0.30)℃)均高于發(fā)情當天((25.00±0.30)℃),且差異極顯著(P<0.001),統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),發(fā)情前24 h,耳表溫度降低了1.7%(P<0.05),同時,發(fā)情當天低產(chǎn)奶牛(產(chǎn)奶量≤46 kg)耳表溫度((25.20±0.50)℃)比高產(chǎn)奶牛(產(chǎn)奶量>46 kg)耳表溫度((26.60±0.50)℃)低,但沒有監(jiān)測到妊娠及胎次與耳表溫度的相關(guān)性。Randi等[15]使用熱敏探頭耳標監(jiān)測44頭同期發(fā)情母牛耳道溫度發(fā)現(xiàn),發(fā)情前2 d到發(fā)情后2 d期間呈現(xiàn)先升高后降低趨勢,并且,在發(fā)情開始前48 h觀察到最低溫度(37.93 ℃),牛只發(fā)情持續(xù)時間(16.00±5.67) h,從發(fā)情開始到排卵平均時間間隔為(27.90±7.68) h。兩個團隊觀察到不同溫度變化規(guī)律,主要原因是耳部溫度采集位置不同,Reynolds等[59]所采用的溫度采集位于牛只耳郭中心位置[60],耳表溫度與環(huán)境溫度相關(guān)性較高(r=0.99)[58],而Randi等[15]則沿耳道向里貼近鼓膜處,相較于耳郭,耳鼓膜離體軀更近,受外環(huán)境影響更小,所以,檢測結(jié)果也更接近軀體溫度。母牛發(fā)情時,活動量升高,代謝旺盛,血液流動加快,導(dǎo)致溫度升高,耳郭處溫度下降,可能是耳廓兩側(cè)向外界的輻射以及與外界的傳導(dǎo)、對流熱交換較強,汗液蒸發(fā)使耳郭降溫更多所致。進行耳部溫度監(jiān)測時,需要借助耳標將傳感器固定在牛只耳部,佩戴時應(yīng)進行消毒處理,防止傷口感染發(fā)炎,而且,耳部神經(jīng)分布多而廣,異物感是否影響母牛健康等問題,也應(yīng)認真考慮,耳部作為母牛發(fā)情溫度監(jiān)測部位還要進行深入研究。

3 小 結(jié)

不同軀體部位體溫差異很大,發(fā)情監(jiān)測結(jié)果同樣差異很大,甚至耳部不同位置發(fā)情期間溫度監(jiān)測結(jié)果呈現(xiàn)相反的變化趨勢。不同部位母牛發(fā)情期間溫度監(jiān)測結(jié)果差異,可能主要取決于生殖系統(tǒng)的生理變化,比如雌孕激素水平的變化以及軀體各部位器官功能狀態(tài)的變化、生殖道的充血腫脹等;也受神經(jīng)、免疫系統(tǒng)等不同程度的調(diào)節(jié),軀體不同部位和器官的功能狀態(tài)還因功能不同影響到血流速度和溫度,各器官、部位的溫度變化可能會表現(xiàn)出一定差異性,并影響到發(fā)情鑒定結(jié)果和效果。

就目前的母牛體溫監(jiān)測技術(shù)而言,直腸位置沒有很好的連續(xù)溫度監(jiān)測手段,瘤胃內(nèi)溫度因牛只進食飲水有劇烈變化,眼睛處目前無法實現(xiàn)批量化監(jiān)測,耳部溫度因所選位置不同會有相反的監(jiān)測結(jié)果。在母牛軀體的各個部位中,最直接,也是最有效反映牛只發(fā)情期間體溫變化的部位是陰道。陰道在牛只發(fā)情期間可以明顯反映出牛只體溫的變化規(guī)律,并且可以批量化對牛群體溫進行監(jiān)測。但是該部位的特殊生理構(gòu)造對接觸式體溫監(jiān)測設(shè)備有著較高的要求,設(shè)備不但要小巧舒適不會對奶牛造成傷害,并且要安裝牢固不掉出,而非接觸式的溫度監(jiān)測方法中使用的設(shè)備成本較高,并且對操作人員有較高的技術(shù)要求,在我國的推廣度不高。在今后的研究中如何對陰道溫度更好的監(jiān)測是一個值得研究的問題。

除了本文敘述的幾個常見部位之外,還有團隊對牛尾腹部[61]、后腿跟內(nèi)側(cè)的皮膚[23]、脖子[62]、腹部皮下[63]等位置進行了溫度監(jiān)測。但是,由于其所選位置因為設(shè)備固定難度較大,設(shè)備會給牛只帶來較大的不適感,數(shù)據(jù)采集準確性較低等原因,這些監(jiān)測部位并沒有在后續(xù)推廣開。隨著傳感器技術(shù)以及IRT的不斷發(fā)展,母牛的蹄殼、背脊、腹部、腸道等部位在未來或許也可以作為指示牛只發(fā)情的溫度變化來源。因此,需要深入研究不同部位體溫變化機制與規(guī)律以及與母牛發(fā)情行為的相關(guān)性,為獲得更高效自動化發(fā)情鑒定效果提供重要技術(shù)支撐,促進畜牧業(yè)向精準化、現(xiàn)代化、信息化、智能化發(fā)展。